磁場(chǎng)及介質(zhì)電導率對熱水流量計測量的影響分析

熱水流量計是一種安裝與使用都相當方便簡(jiǎn)單的流量測量?jì)x表，我們在安裝使用過(guò)程中對于熱水流量計要注意以下三點(diǎn)：流速分布、磁場(chǎng)邊緣效應以及被測介質(zhì)電導率，對于基于電磁感應原理工作的流量計類(lèi)型，這三個(gè)方面的因素是在其使用過(guò)程中特別重要的。下面小編針對這三方面加以介紹：
（一）流速分布的影響
只要管內流速為軸對稱(chēng)分布，則電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢大小與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，不論它是層流還是紊流，僅與流體的平均流速成正比．因此，流速分布為軸對稱(chēng)是熱水流量計必須滿(mǎn)足的工作條件之一．
假如，流速分布相對管中心為非對稱(chēng)時(shí)，測量就會(huì )產(chǎn)生誤差．因為電極上得到的感生電動(dòng)勢e是測量管內所有液體共同貢獻的結果，所以每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)都有貢獻。但由各個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)相對于電極的幾何位置不同，故即使各質(zhì)點(diǎn)速度一樣，它們對電動(dòng)勢e的貢獻也是不同的．越靠近電極的質(zhì)點(diǎn)對電動(dòng)勢e的貢獻越大．也就是說(shuō)，電極附近的感生電動(dòng)勢較大，與兩電極平面成90°的地方的流體產(chǎn)生的感生電勢就?。?，如果電極附近的流速非軸對稱(chēng)的偏大，測得的流量信號就比實(shí)際流量值大；反之，電極附近的流速非軸對稱(chēng)的偏小，測得的流量信號也就偏?。虼?，為了消除由于流速分布而產(chǎn)生的測量誤差，在電磁流量變送器的應有一定長(cháng)度的直管段，以保證流速的鈾對稱(chēng)分布．
 (二)磁場(chǎng)邊緣效應的影響
由前述的基本假定可知，e＝DB  這一基本表達式是在“長(cháng)筒流量計”的模型條件下推得的，即假定沿流體的流動(dòng)方向上磁場(chǎng)始終是均勻的．實(shí)際上，這意味著(zhù)沿管軸方向上的磁場(chǎng)為無(wú)限長(cháng)，而實(shí)際流量計的磁場(chǎng)是有限長(cháng)的，所以就必須考慮有限長(cháng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的邊緣效應對測量的影響。
1．絕緣管壁
圖3—34為流量計測量管的縱向視圖．設磁場(chǎng)長(cháng)度為2L，測量管半徑為a．電極A和B在磁場(chǎng)中部。則從圖中可見(jiàn)：磁場(chǎng)的中間部分，即電極附近大致是均勻的，兩端則逐漸減弱，形成不均勻的磁場(chǎng)邊線(xiàn)，段后下降為零．這樣，在電極附近產(chǎn)生的感生電勢較大，兩端則較小，從而造成液體內部電場(chǎng)外有的不均勻而產(chǎn)生渦電流．由渦電流產(chǎn)生的二次磁通，反過(guò)來(lái)又改變磁場(chǎng)邊緣部分的工作磁通，使磁場(chǎng)的均勻性進(jìn)—步遭到破壞。所以，電極上得到的感生電勢與無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)下的感生電動(dòng)勢有差別，使測量信號產(chǎn)生誤差．

圖3－34磁場(chǎng)邊緣效應
設在磁場(chǎng)軸向長(cháng)度為2L時(shí)，電極A和B之間的感生電動(dòng)勢用eAB表示，而無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)時(shí)(L→  )的感應電動(dòng)勢為e．用S來(lái)表示它們的比值，即
S＝
顯然，我們希望S值越接近于1越好。也就是說(shuō)，希望磁場(chǎng)軸向長(cháng)度為有限長(cháng)時(shí)電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢盡可能接近于無(wú)限長(cháng)時(shí)的值．若以L(fǎng)／d表示磁場(chǎng)軸向長(cháng)度與管道內徑之比，則根據計算，在測量管是絕緣管壁的條件下，S與L／d的關(guān)系如圖3—35所示．由圖可知，在保證S＝0．99的情況下，L/ d的比值范圍大致為L(cháng)／d＝2．8—3．04．這就是說(shuō)，為了減少磁場(chǎng)地緣的影響，勵磁線(xiàn)圈的長(cháng)度應為測量管內徑的2. 8—3．04倍，這樣才可以使電極上產(chǎn)生電動(dòng)勢接近于無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)時(shí)的值。

圖3－35 S與L / d的關(guān)系
2．導電管壁

圖3－36 導電管壁S與L / a的關(guān)系
圖3－37液態(tài)金屬磁場(chǎng)邊緣效應
如果測量管是導電的，由于導電管壁的短路作用，磁場(chǎng)邊緣效應就會(huì )更加明顯，并導致電極上感生電動(dòng)勢損失的增加．隨著(zhù)管壁導電率和壁厚的變化，這種影響也將隨之改變．若以  表示管壁厚度，K表示管壁電導率，d和  仍然分別表示測量管內半徑和被測液體電導率，則可用L／d和a＝  來(lái)表示不同情況下邊緣效應的影響程度，如圖3—36所示．
由圖可知，同樣的L／d值，測量管的電導率越大，管壁越厚，這種影響也就越大，即感生電動(dòng)勢的損失也就越嚴重a＝0即相當于管避絕緣的情況(K＝0)，其結果與圖3－35所示的一樣．所以，對熱水流量計來(lái)說(shuō)，測量管壁絕緣是非常必要的．
3．液態(tài)金屬的邊緣效應
如前所述，由于勵磁線(xiàn)圈兩端的磁感應強度B是逐漸減弱的，形成了不均勻的邊緣，使被測介質(zhì)在磁場(chǎng)的邊緣區域內產(chǎn)生渦電流，對測量產(chǎn)生影響．當被測介質(zhì)是電導率極高的液態(tài)金屬時(shí)，這個(gè)渦電流的影響就很大。
如圖3－37所示，由磁場(chǎng)邊緣效應產(chǎn)生的渦電流會(huì )引起二次磁通，使工作磁場(chǎng)的邊緣發(fā)生畸變，出于左側邊緣的磁場(chǎng)是逐漸增強的，所以左側的渦電流就企圖去削弱這種增強；而右側的渦電流，由于右側的磁場(chǎng)逐漸減弱，阻止這種削弱．這樣就造成了整個(gè)磁場(chǎng)的畸變，便它相對于電極軸不對稱(chēng)．
上述這種效應在值流勵磁的情況下雖有一定影響，但問(wèn)題不大．如果采用交流勵磁的話(huà)，隨著(zhù)勵磁電流頻率的增加，這種邊緣效應的影響就比較嚴重．
如果被測介質(zhì)中含有導磁性物質(zhì)，例如含有鐵、鉆、鎳之類(lèi)的金屬時(shí)，磁場(chǎng)邊緣效應的影響就更加復雜化．在理論上研究這種效應時(shí)，常用一個(gè)純數，即磁雷諾數RM＝  ud來(lái)表征這個(gè)效應影響的大?。渲?，  和  分別是介質(zhì)的磁導率和電導率；u為介質(zhì)流速；d為測量管半徑．研究表明，如果RM值不大，并且磁場(chǎng)邊緣離電極不太近的情況下，即使介質(zhì)中含有微量的導磁性物質(zhì)，對測量的影響仍可忽略．相反RM值很大，而且磁場(chǎng)邊緣離電極又比較近的，則由于工作磁場(chǎng)的畸變將給測量造成嚴重的影響。所以，熱水流量計要求被測介質(zhì)非磁性是必要的．另外，對于液態(tài)金屬，一般采用直流勵磁以減少磁場(chǎng)邊緣效應．
(三)被測介質(zhì)電導率的影響
目前，熱水流量計轉換路的輸入阻抗已有所提高，測量導電性液體時(shí)，一般不會(huì )因介質(zhì)電導率稍有變化而引起誤差，但對于一定的轉換器輸入阻抗，被測介質(zhì)的電導率有一個(gè)下限值  min，不能低于該下限值．
被測介質(zhì)的電導率太大也是不允許的。例如當電導率超過(guò)10－1(S／cm)左右時(shí)，就會(huì )降低流量信號，改變指示值，即指示流量值小于實(shí)際流量值．這是因為在電磁流量變送器中，磁場(chǎng)為有限長(cháng)，被測的導電液體只有流過(guò)有限磁場(chǎng)時(shí)，才能產(chǎn)生感生電動(dòng)勢e．所以，代表流量信號的感生電動(dòng)勢e是磁場(chǎng)部分的導電液體切割磁力線(xiàn)的結果，磁場(chǎng)兩端以外的導電液體沒(méi)有對e作出任何貢獻．相反，由于它們也是和兩個(gè)電極連通的，故也就構成了一部分外電路。當變送器與轉換器連接在一起時(shí)，這部分外電路就與轉換器輸入阻抗相并聯(lián)而成為變送器的負載．當被測介質(zhì)的電導率很大時(shí)，外電路的電阻較小，達時(shí)不管轉換器的輸入阻抗有多高，并聯(lián)的結果將取決于這部分液體外電路，從而減小變送器與轉換器之間的傳輸精度。
所以，對一個(gè)熱水流量計來(lái)說(shuō)，測量不受介質(zhì)電導率影響是有一定范圍的，被測介質(zhì)電導串既不能太大，也不能太小。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，轉換器輸入阻抗的提高，必將可以降低被測介質(zhì)電導率的下限。

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